JP3277855B2 - Method for forming wiring of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の配線
形成方法及び半導体装置に関し、特に層間絶縁膜に形成
されたコンタクトホールを介して下層の導電性領域と上
層の配線とを接続する配線形成方法及び半導体装置に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a wiring of a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a wiring forming method for connecting a lower conductive region and an upper wiring through a contact hole formed in an interlayer insulating film. The present invention relates to a method and a semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体集積回路装置において、半導体基
板と配線層との接触部分にバリアメタル層を介在させ、
両者間の反応を防止して安定な電気的接触を得る技術が
知られている。このバリアメタル層としてTi層とTi
ON層との積層を用いる技術が提案されている(特開平
4−214653号公報参照)。Ti層は、半導体基板
と配線層との接触抵抗を低下させ、TiON層は、配線
層と半導体基板との間の反応を防止する。2. Description of the Related Art In a semiconductor integrated circuit device, a barrier metal layer is interposed at a contact portion between a semiconductor substrate and a wiring layer.
A technique for preventing a reaction between the two and obtaining stable electrical contact is known. As the barrier metal layer, a Ti layer and Ti
A technique using lamination with an ON layer has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-214653). The Ti layer reduces the contact resistance between the semiconductor substrate and the wiring layer, and the TiON layer prevents a reaction between the wiring layer and the semiconductor substrate.
【0003】また、バリアメタル層として、Ti層、T
iN層、及びTiN層の表面を酸化して形成したTiO
N層の3層構造を用いる技術が提案されている(特開平
5−6865号公報、及び特開平5−121356号公
報参照)。Further, a Ti layer, a T layer,
TiO formed by oxidizing the surface of iN layer and TiN layer
A technique using an N-layer three-layer structure has been proposed (see JP-A-5-6865 and JP-A-5-121356).
【0004】なお、本明細書において、「TiON」
は、「O」と「N」の組成比が1:1であることを意味
するものではない。通常、バリアメタル層として使用さ
れるTiONは、TiOx N1-x (xは約0.1程度)
である。TiON層をスパッタリングにより堆積する場
合には、スパッタリング時のO2 の添加量を変えること
により、xが変わる。[0004] In this specification, "TiON"
Does not mean that the composition ratio of “O” and “N” is 1: 1. Usually, TiON used as a barrier metal layer is TiO x N 1-x (x is about 0.1)
It is. When the TiON layer is deposited by sputtering, x changes by changing the amount of O 2 added during sputtering.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】Ti層とTiON層の
2層構造をバリアメタル層として用いる場合には、Ti
層の上にTiON層を堆積する。本願発明者らの実験に
よると、この方法で安定して良好な電気的接続を得るこ
とが困難であった。When a two-layer structure of a Ti layer and a TiON layer is used as a barrier metal layer, Ti
Deposit a TiON layer on top of the layer. According to an experiment conducted by the inventors of the present application, it was difficult to stably obtain good electrical connection by this method.
【0006】本発明の目的は、コンタクトホール内にバ
リアメタル層及び埋込プラグを形成し、安定した電気的
接続を得ることができる配線形成方法及び半導体装置を
提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a wiring forming method and a semiconductor device in which a barrier metal layer and a buried plug are formed in a contact hole and a stable electric connection can be obtained.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、半導体基板の上に層間絶縁膜を堆積し、該層間絶縁
膜にコンタクトホールを形成する工程と、前記層間絶縁
膜の表面上、及び前記コンタクトホールの内面上に、第
1のチャンバ内で、スパッタリングによりTi層を堆積
する工程と、前記Ti層の形成された半導体基板を、前
記第1のチャンバ内から第2のチャンバ内に移し換える
工程と、前記第2のチャンバ内で、前記コンタクトホー
ル内を含む前記Ti層の表面上に、実質的に酸素を含ま
ない雰囲気中で第1のTiN層を堆積する工程と、前記
第1のTiN層の上にTiON層を堆積する工程と、前
記TiON層の上に第2のTiN層を堆積する工程と、
前記コンタクトホール内の前記第2のTiN層の表面上
に、埋込プラグを形成する工程と、前記層間絶縁膜の上
に、前記埋込プラグに接続された配線を形成する工程と
を有する半導体装置の配線形成方法が提供される。According to one aspect of the present invention, a step of depositing an interlayer insulating film on a semiconductor substrate and forming a contact hole in the interlayer insulating film; And depositing a Ti layer on the inner surface of the contact hole by sputtering in a first chamber, and transferring the semiconductor substrate on which the Ti layer is formed from the first chamber to the second chamber. Transferring, and depositing a first TiN layer in a substantially oxygen-free atmosphere on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole in the second chamber; Depositing a TiON layer on the first TiN layer; depositing a second TiN layer on the TiON layer;
Forming a buried plug on the surface of the second TiN layer in the contact hole; and forming a wiring connected to the buried plug on the interlayer insulating film A method for forming a wiring of a device is provided.
【0008】Ti層の表面に第1のTiN層を堆積する
ときの雰囲気が酸素を含まないため、Ti層の表面の酸
化を防止することができる。TiON層堆積開始時に
は、Ti層が露出していないため、TiON層堆積時の
酸化性雰囲気によるTi層の表面の酸化が防止される。Since the atmosphere for depositing the first TiN layer on the surface of the Ti layer does not contain oxygen, oxidation of the surface of the Ti layer can be prevented. At the start of the deposition of the TiON layer, since the Ti layer is not exposed, oxidation of the surface of the Ti layer by an oxidizing atmosphere during deposition of the TiON layer is prevented.
【0009】埋込プラグの形成時には、TiON層の表
面が第2のTiN層で覆われている。このため、TiO
N層からの酸素の放出が防止され、酸素による悪影響を
抑制することができる。When the embedded plug is formed, the surface of the TiON layer is covered with the second TiN layer. For this reason, TiO
Release of oxygen from the N layer is prevented, and adverse effects due to oxygen can be suppressed.
【0010】[0010]
【0011】[0011]
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明する前に、
バリアメタル層としてTiON層を用いた配線構造の接
触抵抗の評価実験結果について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Before describing embodiments of the present invention,
The following describes the results of an experiment for evaluating the contact resistance of a wiring structure using a TiON layer as a barrier metal layer.
【0013】シリコン基板表面にn型及びp型の不純物
拡散領域と配線層とを、直径0.45μm、アスペクト
比1.8のコンタクトホールを介して接続した。n型領
域は、ドーズ量5×1015cm-2になるようにP+ イオ
ンを注入し、p型領域は、ドーズ量2×1015cm-2に
なるようにBF2 + イオンを注入し、その後約950℃
で活性化のための熱処理を行って形成した。コンタクト
ホールの底面には、配線層とシリコン基板との間に、基
板側から厚さ20nmのTi層及び厚さ100nmのT
iON層が積層されている。TiON層は、Ti層をス
パッタリングにより堆積した後、スパッタガスにO2 と
N2 を混入させて反応性スパッタリングを行うことによ
り堆積した。The n-type and p-type impurity diffusion regions and the wiring layer were connected to the surface of the silicon substrate via contact holes having a diameter of 0.45 μm and an aspect ratio of 1.8. P + ions are implanted into the n-type region so as to have a dose of 5 × 10 15 cm −2 , and BF 2 + ions are implanted into the p-type region so as to have a dose of 2 × 10 15 cm −2. Then about 950 ° C
And heat treatment for activation was performed. On the bottom of the contact hole, a 20-nm thick Ti layer and a 100-nm thick T
An iON layer is laminated. The TiON layer was deposited by depositing a Ti layer by sputtering and then performing reactive sputtering by mixing O 2 and N 2 in a sputtering gas.
【0014】n型領域と配線層との間の接触抵抗は55
Ω、p型領域と配線層との間の接触抵抗は157Ωであ
り、両者とも電流が電圧に比例しない非オーミック接触
であった。The contact resistance between the n-type region and the wiring layer is 55
Ω, the contact resistance between the p-type region and the wiring layer was 157 Ω, and both were non-ohmic contacts where the current was not proportional to the voltage.
【0015】本願発明者らは、良好な電気的接触が得ら
れなかったのは、Ti層とTiON層との界面にTiO
層が形成されているためと考えた。下記の実施例では、
TiO層の形成を防止することができる。The inventor of the present application failed to obtain good electrical contact because the interface between the Ti layer and the TiON layer was TiO 2.
It was considered that the layer was formed. In the example below,
The formation of the TiO layer can be prevented.
【0016】さらに、バリアメタル層としてTiON層
を用い、コンタクトホール内をタングステン(W)プラ
グで埋め込む場合、下記のような不都合が生じ易いこと
を見い出した。Furthermore, it has been found that when a TiON layer is used as a barrier metal layer and a contact hole is filled with a tungsten (W) plug, the following inconveniences are likely to occur.
【0017】図4は、コンタクトホール内をWプラグで
埋め込んだ状態のWプラグ部分の断面図を示す。シリコ
ン基板100の表面上に層間絶縁膜110が形成され、
層間絶縁膜110にコンタクトホール111が設けられ
ている。層間絶縁膜110の表面上及びコンタクトホー
ル111の内面上に、Ti層112とTiON層113
がこの順番に積層されている。FIG. 4 is a cross-sectional view of a W plug portion in a state where the inside of the contact hole is filled with the W plug. An interlayer insulating film 110 is formed on the surface of the silicon substrate 100,
A contact hole 111 is provided in the interlayer insulating film 110. A Ti layer 112 and a TiON layer 113 are formed on the surface of the interlayer insulating film 110 and the inner surface of the contact hole 111.
Are stacked in this order.
【0018】TiON層113の表面上の全領域を覆う
W層を堆積し、このW層をエッチバックしてコンタクト
ホール111内にWプラグ114bを残す。図4は、コ
ンタクトホール111以外の領域上に、W層の一部11
4aが薄く残っている状態を示している。A W layer covering the entire region on the surface of the TiON layer 113 is deposited, and the W layer is etched back to leave a W plug 114b in the contact hole 111. FIG. 4 shows a portion 11 of the W layer 11 on a region other than the contact hole 111.
4a shows a state where a thin layer remains.
【0019】W層のエッチバック中にコンタクトホール
111内のWプラグ114bの上面が、層間絶縁膜11
0の上に堆積しているW層114aの上面よりも低くな
り、プラグロス115が発生する場合がある。また、コ
ンタクトホール111の内周面の開口部近傍領域に、T
iON層113の表面を露出させるトレンチ116が発
生したり、コンタクトホール111の中央部にシーム1
17が発生する場合もある。During the etch back of the W layer, the upper surface of the W plug 114b in the contact hole 111
In some cases, the plug loss becomes lower than the upper surface of the W layer 114a deposited on the O layer. In addition, in the region near the opening on the inner peripheral surface of the contact hole 111, T
A trench 116 that exposes the surface of the iON layer 113 is generated, or a seam 1 is formed at the center of the contact hole 111.
17 may also occur.
【0020】プラグロス115、トレンチ116、及び
シーム117の発生は、TiON層113から放出され
る酸素の影響により、W層のエッチング速度が急増した
ためと考えられる。プラグロス115、トレンチ11
6、及びシーム117は、コンタクト抵抗上昇の要因に
なる。下記の実施例では、このような不具合の発生を防
止することができる。The generation of the plug loss 115, the trench 116, and the seam 117 is considered to be due to the rapid increase in the etching rate of the W layer due to the influence of oxygen released from the TiON layer 113. Plug loss 115, trench 11
6 and the seam 117 cause a rise in contact resistance. In the following embodiment, such a problem can be prevented from occurring.
【0021】図1〜図3を参照して、本発明の実施例に
よる配線形成方法を、金属−酸化膜−半導体構造電界効
果トランジスタ(MOSFET)のソース/ドレイン領
域と上層配線とを接続する場合を例にとって説明する。Referring to FIGS. 1 to 3, a method for forming a wiring according to an embodiment of the present invention will be described in the case where a source / drain region of a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) is connected to an upper wiring. Will be described as an example.
【0022】図1(A)に示すように、シリコン基板1
の表面に形成されたフィールド酸化膜2によって、シリ
コン基板1の表面に活性領域が画定されている。この活
性領域に、ソース領域3S、ドレイン領域3D、ゲート
絶縁膜3I、及びゲート電極3GからなるMOSFET
が形成されている。ゲート電極3Gの両側の側壁上に
は、サイドウォール絶縁体3Wが形成されている。サイ
ドウォール絶縁体3Wは、低濃度ドレイン(LDD)構
造を形成するためのイオン注入時のマスクとして使用さ
れる。As shown in FIG. 1A, a silicon substrate 1
An active region is defined on the surface of the silicon substrate 1 by the field oxide film 2 formed on the surface of the substrate. In this active region, a MOSFET including a source region 3S, a drain region 3D, a gate insulating film 3I, and a gate electrode 3G is provided.
Are formed. Sidewall insulators 3W are formed on the sidewalls on both sides of the gate electrode 3G. The side wall insulator 3W is used as a mask at the time of ion implantation for forming a low concentration drain (LDD) structure.
【0023】図1(B)に示すように、MOSFETを
覆うように基板全面に化学気相成長(CVD)により、
フォスフォシリケートガラス(PSG)とボロフォスフ
ォシリケートガラス(BPSG)との積層構造を有する
厚さ約0.8μmの層間絶縁膜4を堆積する。層間絶縁
膜4に直径約0.45μmのコンタクトホール5S及び
5Dを形成し、コンタクトホール5S及び5Dの各々の
底面に、それぞれソース領域3S及びドレイン領域3D
の表面の一部を露出させる。As shown in FIG. 1B, chemical vapor deposition (CVD) is performed on the entire surface of the substrate so as to cover the MOSFET.
An approximately 0.8 μm thick interlayer insulating film 4 having a laminated structure of phosphosilicate glass (PSG) and borophosphosilicate glass (BPSG) is deposited. Contact holes 5S and 5D having a diameter of about 0.45 μm are formed in the interlayer insulating film 4, and a source region 3S and a drain region 3D are formed on the bottom surfaces of the contact holes 5S and 5D, respectively.
Expose part of the surface of the
【0024】図1(C)に示すように、層間絶縁膜4の
表面上及びコンタクトホール5S、5Dの内面上に、厚
さ約20nmのTi層6a、厚さ約25nmの第1のT
iN層6b、厚さ50〜75nmのTiON層6c、及
び厚さ約25nmの第2のTiN層6dをこの順番に積
層する。As shown in FIG. 1C, a Ti layer 6a having a thickness of about 20 nm and a first T layer having a thickness of about 25 nm are formed on the surface of the interlayer insulating film 4 and on the inner surfaces of the contact holes 5S and 5D.
An iN layer 6b, a TiON layer 6c having a thickness of 50 to 75 nm, and a second TiN layer 6d having a thickness of about 25 nm are stacked in this order.
【0025】Ti層6aの堆積は、スパッタガスとして
Arを用い、基板温度を150℃、雰囲気圧力を4mT
orr、スパッタガス流量を15sccm、成膜速度を
約100nm/分とした条件でスパッタリングにより行
う。第1のTiN層6bの堆積は、ターゲットとしてT
i、スパッタガスとしてN2 とArの混合ガスを用い、
基板温度を150℃、雰囲気圧力を4mTorr、Ar
ガス流量を40sccm、N2 ガス流量を85scc
m、成膜速度を約75nm/分とした条件で反応性スパ
ッタリングにより行う。TiON層6cの堆積は、第1
のTiN層6bの堆積後、Arガス流量を30sccm
に減少させ、ArとN2 の混合ガスに流量10sccm
のO2 ガスを新たに導入して同じTiターゲットを用い
て反応性スパッタリングにより行う。第2のTiN層6
dの堆積は、O2 ガスの導入を停止し、第1のTiN層
6bの堆積条件と同一の条件で行う。The Ti layer 6a is deposited by using Ar as a sputtering gas at a substrate temperature of 150 ° C. and an atmospheric pressure of 4 mT.
The sputtering is performed under the conditions of orr, a sputter gas flow rate of 15 sccm, and a film formation rate of about 100 nm / min. The first TiN layer 6b is deposited by using T
i, using a mixed gas of N 2 and Ar as a sputtering gas,
Substrate temperature 150 ° C., atmospheric pressure 4 mTorr, Ar
Gas flow rate 40 sccm, N 2 gas flow rate 85 scc
m, and a reactive sputtering is performed under the conditions of a film forming rate of about 75 nm / min. The deposition of the TiON layer 6c is performed in the first
After the TiN layer 6b is deposited, the Ar gas flow rate is set to 30 sccm.
To a mixed gas of Ar and N 2 at a flow rate of 10 sccm.
O 2 gas is newly introduced, and reactive sputtering is performed using the same Ti target. Second TiN layer 6
The deposition of d is performed under the same conditions as the deposition conditions of the first TiN layer 6b by stopping the introduction of the O 2 gas.
【0026】TiN層6aから第2のTiN層6dまで
を同一チャンバ内で連続して堆積することも可能である
が、Ti層6aの堆積と第1のTiN層6bから第2の
TiN層6dまでの堆積とを異なるチャンバ内で行うこ
とが好ましい。Ti層6aとその他の3層6b〜6dと
の堆積を異なるチャンバで行うことにより、Ti層6a
の堆積用のTiターゲットの表面の酸化もしくは窒化を
防止することができる。また、Ti層6aの堆積用のチ
ャンバから第1のTiN層6b〜第2のTiN層6dの
堆積用のチャンバへの基板の搬送は、大気に晒すことな
く真空雰囲気中または非酸化性雰囲気中で行うことが好
ましい。これにより、Ti層6aの表面酸化を防止する
ことができる。Although it is possible to continuously deposit the TiN layer 6a to the second TiN layer 6d in the same chamber, it is possible to deposit the Ti layer 6a and the first TiN layer 6b to the second TiN layer 6d. It is preferable to perform the deposition up to and including the deposition in a different chamber. By depositing the Ti layer 6a and the other three layers 6b to 6d in different chambers, the Ti layer 6a
Oxidation or nitridation of the surface of a Ti target for depositing GaN can be prevented. The transfer of the substrate from the chamber for depositing the Ti layer 6a to the chamber for depositing the first TiN layer 6b and the second TiN layer 6d is performed in a vacuum atmosphere or a non-oxidizing atmosphere without exposure to the air. It is preferable to carry out in. Thereby, surface oxidation of the Ti layer 6a can be prevented.
【0027】図2(A)に示すように、第2のTiN層
6dの表面上に成長核を形成した後、コンタクトホール
5S及び5Dの内部を埋め尽くすのに十分な厚さ、例え
ば550nmのW層7をCVDにより堆積する。成長核
の形成は、例えば圧力4Torr、基板温度430℃の
条件で、流量4sccmのSiH4 及び7〜20scc
mのWF6 を基板表面に約35秒間供給することにより
行う。W層7の堆積は、例えば原料ガスとして流量80
sccmのWF6 、還元ガスとして流量720sccm
のH2 を用い、成長温度を450℃、圧力を50〜80
Torr、成膜速度を0.3〜0.5μm/分とした条
件で行う。コンタクトホール5S及び5Dの内部が、W
層7により埋め尽くされる。As shown in FIG. 2A, after a growth nucleus is formed on the surface of the second TiN layer 6d, a thickness, for example, 550 nm, sufficient to fill the insides of the contact holes 5S and 5D is formed. A W layer 7 is deposited by CVD. The growth nuclei are formed, for example, under the conditions of a pressure of 4 Torr and a substrate temperature of 430 ° C., SiH 4 having a flow rate of 4 sccm and 7 to 20 scc.
m WF 6 is supplied to the substrate surface for about 35 seconds. The W layer 7 is deposited, for example, at a flow rate of 80 as a source gas.
sccm WF 6 , flow rate 720 sccm as reducing gas
Of H 2 , a growth temperature of 450 ° C. and a pressure of 50 to 80
It is performed under the conditions of Torr and a deposition rate of 0.3 to 0.5 μm / min. The inside of the contact holes 5S and 5D is W
Filled by layer 7.
【0028】図2(B)に示すように、W層7をエッチ
バックしてコンタクトホール5S及び5D以外の領域に
堆積したW層7をすべて除去する。W層7のエッチバッ
クは、例えば、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラ
ズマエッチング装置(ECRプラズマエッチング装置)
を使用し、エッチングガスとしてSF6 を用い、SF 6
ガスの流量140sccm、圧力270Pa、高周波バ
イアス用印加電力200W、基板温度30℃の条件で約
140秒間行う。コンタクトホール5S及び5Dの内部
に、それぞれWプラグ7S及び7Dが残り、コンタクト
ホール5Sおよび5D以外の領域では第2のTiN層6
dの表面が露出する。As shown in FIG. 2B, the W layer 7 is etched.
Back to areas other than contact holes 5S and 5D
All the deposited W layers 7 are removed. Etch back of W layer 7
For example, a plastic using electron cyclotron resonance
Zuma etching equipment (ECR plasma etching equipment)
And SF as an etching gas6Using SF 6
Gas flow rate 140 sccm, pressure 270 Pa, high frequency
About 200 W of applied power for EAS and 30 ° C substrate temperature
Perform for 140 seconds. Inside contact holes 5S and 5D
And W plugs 7S and 7D remain, respectively,
In regions other than the holes 5S and 5D, the second TiN layer 6
The surface of d is exposed.
【0029】このとき、コンタクトホール5S及び5D
以外の領域に不要なW膜7が残留することを防止するた
めに、ややオーバエッチングすることが好ましい。オー
バエッチングすると、Wプラグ7S及び7Dの上面が第
2のTiN層6dの上面よりも僅かに下がり、コンタク
トホール5S及び5Dが形成された領域に浅い窪みが形
成される。At this time, contact holes 5S and 5D
In order to prevent the unnecessary W film 7 from remaining in a region other than the region, it is preferable to slightly overetch the film. When over-etching, the upper surfaces of the W plugs 7S and 7D are slightly lower than the upper surface of the second TiN layer 6d, and shallow depressions are formed in the regions where the contact holes 5S and 5D are formed.
【0030】図3(A)において、Wプラグ7S及び7
Dの上面を含む基板全面にTiからなる厚さ約15nm
の下地層8を堆積する。下地層8の堆積は、例えば図1
(C)で説明したTi層6aと同様の方法で行う。In FIG. 3A, W plugs 7S and 7
A thickness of about 15 nm made of Ti on the entire surface of the substrate including the upper surface of D
Is deposited. The underlayer 8 is deposited, for example, as shown in FIG.
This is performed by the same method as that for the Ti layer 6a described in (C).
【0031】下地層8の上に、Siを1重量%、Cuを
0.5重量%含むAl合金からなる厚さ約400nmの
配線層9をスパッタリングにより堆積する。配線層9の
堆積は、例えばターゲットとしてAl合金、スパッタガ
スとしてArを用い、基板温度を150℃、圧力を2m
Torr、スパッタガス流量を20sccm、成膜速度
を約1μm/分とした条件で行う。On the underlayer 8, a wiring layer 9 having a thickness of about 400 nm and made of an Al alloy containing 1% by weight of Si and 0.5% by weight of Cu is deposited by sputtering. The wiring layer 9 is deposited by using, for example, an Al alloy as a target and Ar as a sputtering gas at a substrate temperature of 150 ° C. and a pressure of 2 m.
Torr, a sputtering gas flow rate of 20 sccm, and a film forming speed of about 1 μm / min.
【0032】配線層9の成膜後、大気に晒すことなく、
温度450〜500℃程度で約120秒間の熱処理を行
う。この熱処理によりAl合金がリフローし、コンタク
トホール5S及び5Dの開口部に形成された窪み部分の
カバレッジ率が改善される。After the formation of the wiring layer 9,
Heat treatment is performed at a temperature of about 450 to 500 ° C. for about 120 seconds. By this heat treatment, the Al alloy reflows, and the coverage ratio of the dent formed in the openings of the contact holes 5S and 5D is improved.
【0033】図3(B)に示すように、配線層9をパタ
ーニングし、Wプラグ7Sを介してソース領域3Sに接
続された配線9S、及びWプラグ7Dを介してドレイン
領域3Dに接続された配線9Dを形成する。配線9S及
び9Dを覆うように基板全面に、PSG等の絶縁材料か
らなる層間絶縁膜10をCVD等により堆積する。As shown in FIG. 3B, the wiring layer 9 is patterned and connected to the wiring 9S connected to the source region 3S via the W plug 7S and to the drain region 3D via the W plug 7D. The wiring 9D is formed. An interlayer insulating film 10 made of an insulating material such as PSG is deposited on the entire surface of the substrate by CVD or the like so as to cover the wirings 9S and 9D.
【0034】上記実施例では、図2(A)に示す工程に
おいてW層7を堆積する前に、基板表面が第2のTiN
層6dで覆われており、TiON層6cが表出していな
い。また、図2(B)に示すW層7のエッチバック工程
において、第2のTiN層6dがエッチング停止層とし
て作用するため、エッチバック中もTiON層6cが基
板表面に表出しない。このため、TiON層6cからの
酸素の放出を防止でき、酸素によるW層7のエッチング
速度の局所的な増大を防止することができる。このた
め、基板全面にわたってほぼ均一なエッチングが行わ
れ、図4に示すプラグロス115、トレンチ116、及
びシーム117の発生を防止することができる。In the above embodiment, before depositing the W layer 7 in the step shown in FIG.
It is covered with the layer 6d, and the TiON layer 6c is not exposed. Further, in the step of etching back the W layer 7 shown in FIG. 2B, since the second TiN layer 6d acts as an etching stop layer, the TiON layer 6c does not appear on the substrate surface during the etch back. Therefore, release of oxygen from the TiON layer 6c can be prevented, and a local increase in the etching rate of the W layer 7 due to oxygen can be prevented. Therefore, substantially uniform etching is performed over the entire surface of the substrate, and the generation of the plug loss 115, the trench 116, and the seam 117 shown in FIG. 4 can be prevented.
【0035】上記実施例によると、Wプラグ7S及び7
Dとソース/ドレイン領域3S及び3Dとの間にTi層
6a、第1のTiN層6b、TiON層6c、及び第2
のTiN層6dの4層が介在する。TiON層6cがバ
リアメタル層として作用し、Wプラグとシリコン基板表
面との間の反応を抑制する。According to the above embodiment, the W plugs 7S and 7
D and the source / drain regions 3S and 3D between the Ti layer 6a, the first TiN layer 6b, the TiON layer 6c, and the second
The four TiN layers 6d are interposed. The TiON layer 6c functions as a barrier metal layer and suppresses a reaction between the W plug and the surface of the silicon substrate.
【0036】また、上記実施例では、Ti層6aの上に
直接TiON層6cを堆積するのではなく、一旦第1の
TiN層6bを堆積する。Ti層6aの表面がTiON
層6c堆積時の酸化性雰囲気に晒されないため、Ti層
6aの酸化によるTiO層の形成を防止できる。このた
め、安定して良好な電気的接続を得ることが可能にな
る。In the above embodiment, the first TiN layer 6b is temporarily deposited instead of depositing the TiON layer 6c directly on the Ti layer 6a. The surface of the Ti layer 6a is TiON
Since it is not exposed to the oxidizing atmosphere at the time of depositing the layer 6c, formation of the TiO layer due to oxidation of the Ti layer 6a can be prevented. For this reason, it is possible to stably obtain a good electrical connection.
【0037】Ti層6a、第1のTiN層6b、TiO
N層6c、及び第2のTiN層6dの厚さをそれぞれ2
0nm、25nm、50nm、及び25nmとし、その
他の条件を前述の評価実験と同様にして、シリコン基板
表面の不純物拡散領域と配線層との接続を行った。その
結果、n型領域と配線層との接触抵抗は18Ω、p型領
域と配線層との間の接触抵抗は110Ωであり、両者と
もオーミック接触であった。このように、TiON層を
堆積する前に第1のTiN層を堆積してTi層の表面を
覆い、W層の堆積前にTiON層の表面を第2のTiN
層で覆っておくことにより、良好な電気的接続を得るこ
とが可能になる。Ti layer 6a, first TiN layer 6b, TiO
The thickness of each of the N layer 6c and the second TiN layer 6d is 2
The connection between the impurity diffusion region on the surface of the silicon substrate and the wiring layer was performed in the same manner as in the above-described evaluation experiment, except that 0 nm, 25 nm, 50 nm, and 25 nm were used. As a result, the contact resistance between the n-type region and the wiring layer was 18Ω, and the contact resistance between the p-type region and the wiring layer was 110Ω, and both were ohmic contacts. Thus, before depositing the TiON layer, the first TiN layer is deposited to cover the surface of the Ti layer, and before depositing the W layer, the surface of the TiON layer is deposited on the second TiN layer.
Covering with a layer makes it possible to obtain a good electrical connection.
【0038】また、上記実施例では、TiON層を反応
性スパッタリングにより堆積するため、TiN層の表面
を酸化して形成する場合に比べて、厚い膜を容易に形成
することができる。In the above embodiment, since the TiON layer is deposited by reactive sputtering, a thick film can be easily formed as compared with the case where the surface of the TiN layer is formed by oxidation.
【0039】上記実施例では、埋込プラグの材料として
Wを用いた場合を説明したが、その他の導電性材料、例
えばMo、WSix 等を用いても同様の効果が期待され
る。[0039] In the above embodiment, a case has been described using W as a material of the embedded plug, other conductive material, for example Mo, the same effect even by using a WSi x or the like is expected.
【0040】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
【0041】[0041]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンタクトホール内にTi層を堆積した後、バリアメタ
ル層として作用するTiON層を堆積する前に、Ti層
の表面を第1のTiN層で覆う。このため、Ti層がT
iON層堆積時の酸化性雰囲気に晒されなくなり、Ti
層表面が酸化されることを防止できる。TiON層を堆
積した後、埋込プラグを形成する前に、TiON層の表
面を第2のTiN層で覆う。このため、埋込プラグ形成
時にTiON層からの酸素の放出を防止でき、酸素によ
る埋込プラグ形成への悪影響を防止できる。このように
して、安定して半導体基板表面と配線層との間の電気的
接続を得ることが可能になる。As described above, according to the present invention,
After depositing a Ti layer in the contact hole, the surface of the Ti layer is covered with a first TiN layer before depositing a TiON layer acting as a barrier metal layer. For this reason, the Ti layer
No longer exposed to the oxidizing atmosphere during the deposition of the iON layer,
Oxidation of the layer surface can be prevented. After depositing the TiON layer and before forming the buried plug, the surface of the TiON layer is covered with a second TiN layer. Therefore, the release of oxygen from the TiON layer during the formation of the buried plug can be prevented, and the adverse effect of the oxygen on the formation of the buried plug can be prevented. In this manner, it is possible to stably obtain the electrical connection between the semiconductor substrate surface and the wiring layer.
【図1】 本発明の実施例による配線形成方法を説明す
るための半導体基板の断面図(その1)である。FIG. 1 is a sectional view (part 1) of a semiconductor substrate for describing a wiring forming method according to an embodiment of the present invention.
【図2】 本発明の実施例による配線形成方法を説明す
るための半導体基板の断面図(その2)である。FIG. 2 is a sectional view (part 2) of a semiconductor substrate for describing a wiring forming method according to an embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の実施例による配線形成方法を説明す
るための半導体基板の断面図(その3)である。FIG. 3 is a cross-sectional view (part 3) of a semiconductor substrate for describing a wiring forming method according to an embodiment of the present invention.
【図4】 本願発明者らの実験により形成されたWプラ
グの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a W plug formed by an experiment performed by the present inventors.
1、100…シリコン基板、2…フィールド酸化膜、3
S…ソース領域、3D…ドレイン領域、3G…ゲート電
極、3W…サイドウォール絶縁体、3I…ゲート絶縁
膜、4、110…層間絶縁膜、5S、5D、111…コ
ンタクトホール、6a、112…Ti層、6b、6d…
TiN層、6c、113…TiON層、7、114a…
W層、7S、7D、114b…Wプラグ、8…下地層、
9…配線層、9S、9D…配線、10…層間絶縁膜、1
15…プラグロス、116…トレンチ、117…シーム1, 100: silicon substrate, 2: field oxide film, 3
S: source region, 3D: drain region, 3G: gate electrode, 3W: sidewall insulator, 3I: gate insulating film, 4, 110: interlayer insulating film, 5S, 5D, 111: contact hole, 6a, 112: Ti Layers, 6b, 6d ...
TiN layer, 6c, 113 ... TiON layer, 7, 114a ...
W layer, 7S, 7D, 114b W plug, 8 base layer,
9 wiring layer, 9S, 9D wiring, 10 interlayer insulating film, 1
15: plug loss, 116: trench, 117: seam
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−244185(JP,A) 特開 平4−80917(JP,A) 特開 平7−29851(JP,A) 特開 平9−176851(JP,A) 特開 平6−188216(JP,A) 特開 平5−299376(JP,A) 特開 平4−79218(JP,A) 特開 平7−118833(JP,A) 特開 平8−97209(JP,A) 特開 平9−261596(JP,A) 特開 平7−74168(JP,A) 特開 平6−132248(JP,A) 特開 平6−53332(JP,A) 特開 平6−37033(JP,A) 特開 平6−20994(JP,A) 特開 平6−13380(JP,A) 特開 平6−5599(JP,A) 特開 平5−326511(JP,A) 特開 平5−182926(JP,A) 特開 平5−121356(JP,A) 特開 平5−67792(JP,A) 特開 平4−214653(JP,A) 特開 平4−65823(JP,A) 特開 平4−27163(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/285 301 H01L 21/768 Continuation of the front page (56) References JP-A-6-244185 (JP, A) JP-A-4-80917 (JP, A) JP-A-7-29851 (JP, A) JP-A-9-176851 (JP) JP-A-6-188216 (JP, A) JP-A-5-299376 (JP, A) JP-A-4-79218 (JP, A) JP-A-7-118833 (JP, A) JP-A-9-261596 (JP, A) JP-A-7-74168 (JP, A) JP-A-6-132248 (JP, A) JP-A-6-53332 (JP, A) A) JP-A-6-37033 (JP, A) JP-A-6-20994 (JP, A) JP-A-6-13380 (JP, A) JP-A-6-5599 (JP, A) JP-A-5 JP-A-5-182926 (JP, A) JP-A-5-121356 (JP, A) JP-A-5-67792 (JP, A) JP-A-4-214653 (JP, A) JP-A-4-65823 (JP, A) JP-A-4-27163 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/285 301 H01L 21/768
Claims (6)
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上に、第1のチャンバ内で、スパッタリングにより
Ti層を堆積する工程と、 前記Ti層の形成された半導体基板を、前記第1のチャ
ンバ内から第2のチャンバ内に移し換える工程と、 前記第2のチャンバ内で、前記コンタクトホール内を含
む前記Ti層の表面上に、実質的に酸素を含まない雰囲
気中で第1のTiN層を堆積する工程と、 前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積する工程
と、 前記TiON層の上に、厚さ25nmの第2のTiN層
を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を埋め込むように、前記第2の
TiN層の表面上に、導電材料からなる導電層を堆積
し、該導電層を、該第2のTiN層の表面が露出するま
でエッチバックして、該コンタクトホール内に埋込プラ
グを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。An interlayer insulating film is deposited on a semiconductor substrate,
Forming a contact hole in the interlayer insulating film; depositing a Ti layer by sputtering in a first chamber on a surface of the interlayer insulating film and on an inner surface of the contact hole; Transferring the semiconductor substrate formed in the first chamber from the first chamber to the second chamber; and in the second chamber, substantially on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole. Depositing a first TiN layer in an oxygen-free atmosphere, depositing a TiON layer on the first TiN layer, and depositing a second 25 nm thick second layer on the TiON layer. Depositing a TiN layer; depositing a conductive layer made of a conductive material on a surface of the second TiN layer so as to fill the contact hole; surface A step of forming a buried plug in the contact hole by etching back until it is exposed; and a step of forming a wiring connected to the buried plug on the interlayer insulating film. Forming method.
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上にTi層を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を含む前記Ti層の表面上に、
実質的に酸素を含まない窒素雰囲気中でTiターゲット
をスパッタする反応性スパッタリングにより第1のTi
N層を堆積する工程と、 窒素雰囲気中に酸素を追加導入し、反応性スパッタリン
グにより、前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積
する工程と、 前記TiON層の上に、厚さ25nmの第2のTiN層
を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を埋め込むように、前記第2の
TiN層の表面上に、導電材料からなる導電層を堆積
し、該導電層を、該第2のTiN層の表面が露出するま
でエッチバックして、該コンタクトホール内に埋込プラ
グを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。2. An interlayer insulating film is deposited on a semiconductor substrate,
Forming a contact hole in the interlayer insulating film; depositing a Ti layer on the surface of the interlayer insulating film and on the inner surface of the contact hole; and forming a contact layer on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole. ,
The first Ti is formed by reactive sputtering in which a Ti target is sputtered in a nitrogen atmosphere substantially free of oxygen.
Depositing an N layer; depositing a TiON layer on the first TiN layer by reactive oxygen sputtering by additionally introducing oxygen into a nitrogen atmosphere; and forming a 25 nm thick layer on the TiON layer. Depositing a conductive layer made of a conductive material on the surface of the second TiN layer so as to fill the contact hole, and depositing the conductive layer on the second TiN layer. Etching back until the surface of the TiN layer is exposed to form a buried plug in the contact hole; and forming a wiring connected to the buried plug on the interlayer insulating film. A wiring forming method for a semiconductor device, comprising:
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上にTi層を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を含む前記Ti層の表面上に、
実質的に酸素を含まない雰囲気中で第1のTiN層を堆
積する工程と、 前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積する工程
と、 前記TiON層の上に、厚さ25nmの第2のTiN層
を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を含む第2のTiN層の表面上
にW層を堆積する工程と、 前記W層を、前記第2のTiN層の表面が露出するまで
エッチバックし、前記コンタクトホール内にW層の一部
からなる埋込プラグを残す工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。3. An interlayer insulating film is deposited on a semiconductor substrate,
Forming a contact hole in the interlayer insulating film; depositing a Ti layer on the surface of the interlayer insulating film and on the inner surface of the contact hole; and forming a contact layer on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole. ,
Depositing a first TiN layer in an atmosphere substantially free of oxygen; depositing a TiON layer on the first TiN layer; and depositing a 25 nm thick second layer on the TiON layer. Depositing a W layer on the surface of the second TiN layer including the inside of the contact hole; and depositing the W layer on the surface of the second TiN layer until the surface of the second TiN layer is exposed. A semiconductor device comprising: a step of etching back to leave a buried plug made of a part of a W layer in the contact hole; and a step of forming a wiring connected to the buried plug on the interlayer insulating film Wiring formation method.
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上に、第1のチャンバ内で、スパッタリングにより
Ti層を堆積する工程と、 前記Ti層の形成された半導体基板を、前記第1のチャ
ンバ内から第2のチャンバ内に移し換える工程と、 前記第2のチャンバ内で、前記コンタクトホール内を含
む前記Ti層の表面上に、実質的に酸素を含まない雰囲
気中で、厚さ25nmの第1のTiN層を堆積する工程
と、 前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積する工程
と、 前記TiON層の上に、第2のTiN層を堆積する工程
と、 前記コンタクトホール内を埋め込むように、前記第2の
TiN層の表面上に、導電材料からなる導電層を堆積
し、該導電層を、該第2のTiN層の表面が露出するま
でエッチバックして、該コンタクトホール内に埋込プラ
グを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。4. An interlayer insulating film is deposited on a semiconductor substrate,
Forming a contact hole in the interlayer insulating film; depositing a Ti layer by sputtering in a first chamber on a surface of the interlayer insulating film and on an inner surface of the contact hole; Transferring the semiconductor substrate formed in the first chamber from the first chamber to the second chamber; and in the second chamber, substantially on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole. Depositing a 25 nm thick first TiN layer in an atmosphere containing no oxygen, depositing a TiON layer on the first TiN layer, and depositing a second TiON layer on the TiON layer. Depositing a conductive layer made of a conductive material on the surface of the second TiN layer so as to fill the contact hole, and forming the conductive layer on the second TiN layer. Table Forming a buried plug in the contact hole by etching back until the semiconductor device is exposed, and forming a wiring connected to the buried plug on the interlayer insulating film. Wiring formation method.
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上にTi層を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を含む前記Ti層の表面上に、
実質的に酸素を含まない窒素雰囲気中でTiターゲット
をスパッタする反応性スパッタリングにより、厚さ25
nmの第1のTiN層を堆積する工程と、 窒素雰囲気中に酸素を追加導入し、反応性スパッタリン
グにより、前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積
する工程と、 前記TiON層の上に、第2のTiN層を堆積する工程
と、 前記コンタクトホール内を埋め込むように、前記第2の
TiN層の表面上に、導電材料からなる導電層を堆積
し、該導電層を、該第2のTiN層の表面が露出するま
でエッチバックして、該コンタクトホール内に埋込プラ
グを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。5. An interlayer insulating film is deposited on a semiconductor substrate,
Forming a contact hole in the interlayer insulating film; depositing a Ti layer on the surface of the interlayer insulating film and on the inner surface of the contact hole; and forming a contact layer on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole. ,
Reactive sputtering for sputtering a Ti target in a nitrogen atmosphere substantially free of oxygen has a thickness of 25
depositing a TiON layer on the first TiN layer by reactive sputtering, additionally introducing oxygen into a nitrogen atmosphere, and depositing a TiON layer on the first TiN layer. Depositing a second TiN layer, and depositing a conductive layer made of a conductive material on the surface of the second TiN layer so as to fill the contact hole. Forming a buried plug in the contact hole by etching back until the surface of the second TiN layer is exposed; and forming a wiring connected to the buried plug on the interlayer insulating film. A wiring forming method for a semiconductor device, comprising:
該層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面上、及び前記コンタクトホールの
内面上にTi層を堆積する工程と、 前記コンタクトホール内を含む前記Ti層の表面上に、
実質的に酸素を含まない雰囲気中で、厚さ25nmの第
1のTiN層を堆積する工程と、 前記第1のTiN層の上にTiON層を堆積する工程
と、 前記TiON層の上に、第2のTiN層を堆積する工程
と、 前記コンタクトホール内を含む第2のTiN層の表面上
にW層を堆積する工程と、 前記W層を、前記第2のTiN層の表面が露出するまで
エッチバックし、前記コンタクトホール内にW層の一部
からなる埋込プラグを残す工程と、 前記層間絶縁膜の上に、前記埋込プラグに接続された配
線を形成する工程とを有する半導体装置の配線形成方
法。6. An interlayer insulating film is deposited on a semiconductor substrate,
Forming a contact hole in the interlayer insulating film; depositing a Ti layer on the surface of the interlayer insulating film and on the inner surface of the contact hole; and forming a contact layer on the surface of the Ti layer including the inside of the contact hole. ,
Depositing a 25 nm thick first TiN layer in an atmosphere substantially free of oxygen; depositing a TiON layer on the first TiN layer; Depositing a second TiN layer; depositing a W layer on the surface of the second TiN layer including the inside of the contact hole; exposing the W layer to the surface of the second TiN layer A semiconductor having a step of leaving an embedded plug made of a part of the W layer in the contact hole, and a step of forming a wiring connected to the embedded plug on the interlayer insulating film Method of forming wiring of device.
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